金属纳米结构材料具有独特的、优异的力学性质。纳米材料的结构特征对其力学行为的影响是明显的。理解和研究纳米微结构材料的力学行为,对于纳米结构材料的应用至关重要。近年发展起来的分子动力学方法为研究纳米结构材料的变形行为和获得力学性能参数提供了理想工具。　　 为了揭示纳米晶材料的微观力学性能及缺陷演化机制,以促进纳米材料力学性能的改进,对其进行研究具有重要意义。本文以金属Ni柱状纳米晶材料为研究对象,选择晶粒尺寸均匀分布和晶粒尺寸呈梯度分布的二种结构进行分子动力学(MD)模拟研究。取得的结果归纳如下:　　 晶粒尺寸均匀分布的柱状纳米晶Ni拉伸和疲劳的MD模拟结果表明,塑性变形主要通过晶界运动实现的,如晶界滑移、晶粒转动和晶界发射位错;其次品粒内部的位错运动,如位错锁结构的形成、位错交滑移、堆垛层错、孪生变形和相变等也是纳米晶塑性变形的重要形式。　　 对预压卸载后的柱状纳米晶Ni的模拟表明,当高层错能材料内部预先存在位错和层错时,在拉伸变形过程中观察到孪生变形的发生,这种孪生变形可以阻挡位错运动。三晶交叉处位错发射可以导致晶粒的细化,细化晶粒在拉伸过程中会发生旋转,从而协调晶粒内部应力场。　　 晶粒尺寸均匀的柱状纳米晶Ni循环加载模拟发现,微观结构变化迥异于拉伸、压缩变形过程。在疲劳加载模拟过程中,观察到晶界运动(包括晶界扩散、平移、旋转)、Lomer-Cottrell位错锁、Shockley不全位错的交滑移以及晶粒合并(coalesce)等丰富的微结构演化现象。　　 晶粒尺寸为梯度分布(晶粒直径分别为8nm和16nm)的柱状纳米晶Ni拉伸、压缩和循环加载的MD模拟结果表明:微结构演化特征和应力场分布特征不同于晶粒均匀分布的模拟结果。　　 对具有晶粒尺寸梯度分布的纳米晶Ni进行压缩模拟时,观察到滑移系最先在大晶粒区域开动,随着应变的增加,大晶粒内部也会出现Shockley不全位错的交滑移。晶粒内部的Shockley不全位错,逐渐形成位错界面,并在压缩变形过程中进一步演化为孪晶界。　　 对同样的样品进行拉伸模拟,结果显示滑移系的开动在大、小晶粒中同时启动。拉伸过程中外禀层错数目明显比压缩过程中的多,并且无孪生现象,进一步说明高层错能金属只有在压缩过程中才容易形成孪晶。由于晶粒直径梯度分布,导致材料内部的应力场分布不均匀,小晶粒区域承受的拉应力始终低于大晶粒区域的应力水平。　　 对同样的样品进行循环加载模拟,结果显示晶粒的旋转是微结构变化的主要特征,由于旋转,晶粒取向差减小,晶界扩散现象明显,晶粒合并成为主要软化机制。疲劳模拟过程中大、小晶粒内部也是同时启动滑移系,但是晶粒内部的层错主要内禀层错。随着循环周次的增加,晶粒内部也会出现HCP相变,此外,循环加载导致的小晶粒区表面粗糙度明显要大于大晶粒区表面粗糙度,这主要是由于晶界滑动造成的。